CN113595038B - 一种基于北斗卫星授时系统和相关系数的配电网差动保护算法 - Google Patents

Abstract

为了解决5G通信技术端到端的传输时延抖动过大，导致其应用于配电网差动保护误动、拒动和启动时延过长的问题，通过结合北斗卫星授时系统提出新的判据算法，降低差动保护判据对数据同步的依赖性来减弱时延抖动对配网差动保护的影响并缩短保护启动时延。本发明公开了一种基于北斗卫星授时系统和相关系数的配电网差动保护算法，利用北斗卫星授时系统发送的国际标准时UTC准确算出线路端到端的平均传输时延，再通过对配电网被保护线路两端的采样序列添加数据窗，并对数据窗内采样点缺失处进行拟合插值，预测电流变化趋势，最后通过相关系数算法比较两侧加窗序列的相似度，通过相似度判断是否发生故障，保护是否应该动作。

Description

一种基于北斗卫星授时系统和相关系数的配电网差动保护 算法

技术领域

本发明属于电学领域，尤其涉及受5G通信时延抖动影响的配电网电流差动保护的算法。

背景技术

智能电网的概念被首次提出后，各国都大力开发清洁能源业务，故大量清洁能源以分布式电源的形式被引入电网，导致传统的三段过电流保护无法准确整定。电流差动保护具有绝对选择性，灵敏度高，适用于单端、两端及T接线路和一端为弱馈的线路，而现代配网具有多源、多端、多段、多分支、潮流与故障电流双向流动、弱馈等特征，故电流差动保护被广泛应用。目前，在我国的配电网中，电流差动保护大多应用光纤通信、60MHz/1.8GHz电力无线专网等通信方式，其中，光纤通信存在应用不灵活、施工难度和工程量大、铺设和维护的成本高的问题，而60MHz/1.8GHz电力无线专网也存在可靠性不高、时延大等问题。

5G通信在2019年开启规范化商用的探索，其“三高两低”的特点很好地与电力系统需求对应，在其“高可靠性”和“低时延”的特点的基础上，产生了超可靠低时延业务，配电网的电流差动保护完美适配于此业务的应用场景。

但目前5G通信技术端到端的传输时延抖动过大，导致其应用于配电网差动保护仍存在困难。因此，研究如何消除时延抖动对电流差动保护的影响将是5G 技术及其配网应用的热点。

要消除时延抖动对配电网电流差动保护的影响，可以通过改变电流差动保护的判据来实现。传统的电流差动保护判据是通过将线路两端同一时刻电流的大小和相位进行比较来实现的，对两端采样数据的同步要求严格，时延抖动过大时会导致同步可能，进入发生采样点错位，保护整定困难，发生误动或拒动。可以通过提出新的判据算法，降低差动保护判据对数据同步的依赖性来减弱时延抖动对配网差动保护的影响。

本发明将在北斗卫星授时系统同步法和相关系数算法的基础上提出一种新的电流差动保护判据。基于北斗的同步法是依赖卫星授时信息进行同步的，原理是在线路两端都配置卫星信号接收机，以接收卫星发送的信息，卫星信息中包含了秒脉冲信号1PPS(1pulse second)和秒脉冲信号对应的国际标准时UTC时标 (年、月、日、时、分、秒)代码。北斗卫星导航系统授时精度可达到10ns。相关系数(Correlation coefficient)是用以反映变量之间相关程度的统计指标。相关系数是按积差方法计算，同样以两变量与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来反映两变量之间相关程度。相关系数r取值在-1到1之间。相关系数值为正数时，两变量呈正相关，分之呈负相关。

相关程度与相关系数的对应关系如下：相关系数值在0.00～±0.30之间时，两变量微相关；相关系数值在±0.30～±0.40之间时，两变量实相关；相关系数值在±0.50～±0.80之间时，两变量显著相关；相关系数值在±0.80～±1.00之间时，两变量高度相关；

理论上，正常运行和发生外部故障时，两侧电流序列均为负相关，相关系数值主要在－1～0之间；发生内部故障时，两侧电流序列为正相关，相关系数值主要在0～1之间，故可以通过r值判断配网线路是否发生故障并区分内外部故障。

发明内容

本发明针对现有电流差动保护判据不适用于基于5G通信技术的配电网保护的问题，提供一种基于北斗卫星授时系统和相关系数的配电网差动保护判据算法，其流程图如图1所示。

下文以配电网输电线路MN段的电流差动保护为例说明本发明的步骤，且只说明N侧的保护，因为M侧保护原理相同，此处不再赘述。

本发明的技术方案为一种基于北斗卫星授时系统和相关系数的配电网差动保护判据算法，包含以下步骤：

步骤1，开始采样，在配电网输电线路M至N端都配置卫星信号接收机，M 侧的电流数据采样点通过5G无线传输通道发送到N侧，报文中包含M侧采样点电流与其发报时间一一对应的UTC时标代码；N侧接收到的M侧电流数据采样点构成电流序列I′_M1；N侧本侧的电流数据采样点构成电流序列I_N1；

步骤2，确定偶发大时延抖动范围；通过卫星同步法求出每一次配电网输电线路M侧至N侧的时延，得到时延序列t_di，i＝1,2,...,n，并得到平均时延t_d，n大于等于10000；

将传输时延大于等于3倍平均时延t_d的采样点定义为偶发大时延抖动采样点；

步骤3，计算平均时延；通过卫星同步法求出每一次配电网输电线路M侧至 N侧的时延，刨除偶发大时延抖动采样点后，得到时延序列t'_di，i＝1,2,...,n，计算出平均时延t'_d，n大于等于10000；

步骤4，为发送到N侧的M侧电流序列I′_M1与N侧采样电流序列I_N1加数据窗；数据窗的长度应为平均时延的2～3倍；

步骤5，对电流序列I′_M1和I_N1数据窗内的采样点进行标幺化处理；具体是将电流序列I′_M1和I_N1数据窗内的采样点的电流值分别除以正常运行时M、N侧的电流峰值；

步骤6，对电流序列I′_M1数据窗内有缺失的点进行插值；即对数据窗内来不及到达N侧的M侧采样点电流值进行估计，并把估算出的电流值填充到采样点缺失处；

步骤7，对两侧数据窗内的电流序列进行相关系数运算；M侧发送到N侧的采样电流序列插值后数据窗内的序列记作I_Mc；N侧的数据窗内采样电流序列记作I_Nc；相关系数运算方法如下：

I_Mc和I_Nc的长度都为n：

I_Mc＝{I_Mc1,I_Mc2,...,I_Mcn}；

I_Nc＝{I_Nc1,I_Nc2,...,I_Ncn}；

设序列I_Mc与I_Nc的相关系数为r，r的计算公式如下：

其中，

与

为分别为序列I_Mc和I_Nc的平均值；

步骤8，通过相关系数值判断配网运行状态；设定门槛值r_set为0.2，当相关系数值大于r_set时，判定为内部故障，保护启动；若相关系数值小于等于 0.2，则认为是正常运行或发生外部故障，并根据故障类型选择执行：

若判定为内部故障，保护启动，消除故障后，重复执行步骤1至步骤8；

若判定为正常运行或外部故障重复执行步骤2至步骤8，计算每一时刻对应的相关系数值。

在上述基于北斗和相关系数的配电网差动保护判据算法，在步骤5中，对电流序列I′_M1数据窗内有缺失的点进行插值；即对数据窗内来不及到达N侧的 M侧采样点电流值进行估计，并把估算出的电流值填充到采样点缺失处；

估算方法如下：首先通过I′_M1的数据窗内到达的采样点进行拟合，电流波形为正弦函数，发生故障后，会出现电流波形幅值增大，且故障电流存在衰减，拟合函数模型如下式：

I(t)＝Asin(2πft+θ₁)+Bsin(2πft+θ₂)·e^-Ct (2)

式中A为第一个正弦函数的峰值，f为电力系统频率；t为采样时间；θ₁为第一个正弦函数的初相角；B为第二个正弦函数的峰值；θ₂为第二个正弦函数的初相角；C为电流衰减程度参数；

把到达I′_M1的数据窗内的采样点的采样时间和电流值代入式(2)，求出拟合函数表达式后，将缺失的点对应的采样时间代入，完成插值；

此步骤利用已经在I′_M1数据窗内的采样点波形走势预测缺点处的波形，选取到达数据窗的后4～7个采样点拟合。

在上述基于北斗和相关系数的配电网差动保护判据算法，在步骤8中，通过相关系数值判断配网运行状态；设定门槛值r_set为0.2～0.3，当相关系数值大于r_set时，判定为内部故障，保护启动。

本发明通过对被保护线路两端采样电流序列加数据窗，并比较窗内序列相似度的方法，以相似度为保护动作判断依据，可以削弱数据对同步的要求。本发明可有效消除5G通信技术时延抖动对电流差动保护的影响，避免随机时延抖动导致的拒动和误动。并且，与传统的电流差动保护相比，本发明可缩短保护启动延时。

附图说明

图1是本发明的步骤流程图。

图2是本发明加窗操作的示意图。

图3a是本发明插值前M侧采样电流的图像。

图3b是本发明插值后M侧采样电流的图像。

图4是内外部故障时的相关系数值函数波形图。

具体实施方式

本发明主要基于北斗卫星授时系统和相关系数算法，使用北斗卫星授时系统，可以使配电网被保护线路两端的时钟都与国际标准时UTC保持一致，授时精度可达到10ns，这就保证了可以准确算出线路端到端的平均传输时延，而且也保证了加数据窗时，两侧数据窗内采样时间相同的采样点可以放在加窗系列的同一位置，为下一步的拟合插值准确预测电流变化趋势提供了可能性。相关系数表征两侧加窗电流序列的相似程度，其取值范围固定在(-1,1)，判据的整定有着天然的优势，内外部故障相关系数波形幅值几乎不受数据窗长度和电流幅值的影响，判据的选取更容易；

本发明提供的方法能够用计算机软件技术实现流程。参见图1，以配电网输电线路MN段的电流差动保护为例说明本发明的步骤，且只说明N侧的保护，因为M侧保护原理相同，此处不再赘述。基于北斗卫星授时系统和相关系数算法的 N侧电流差动保护保护具体步骤如下：

步骤1，开始采样，在配电网输电线路M至N端都配置卫星信号接收机，M 侧的电流数据采样点通过5G无线传输通道发送到N侧，报文中包含M侧采样点电流与其发报时间一一对应的UTC时标代码。N侧接收到的M侧电流数据采样点构成电流序列I′_M1；N侧本侧的电流数据采样点构成电流序列I_N1。

步骤2，确定偶发大时延抖动范围。通过卫星同步法求出每一次配电网输电线路M侧至N侧的时延，得到时延序列t_di，i＝1,2,...,n，则可估算出平均时延t_d，n大于等于10000。将传输时延大于等于3倍平均时延t_d的采样点定义为偶发大时延抖动采样点。平均时延t_d计算公式如式(3)：

步骤3，计算平均时延。通过卫星同步法求出每一次配电网输电线路M侧至N侧的时延，刨除偶发大时延抖动采样点后，得到时延序列t'_di，i＝1,2,...,n，则可计算出平均时延t'_d，n大于等于10000。平均时延t_d计算公式如式(4)：

步骤4，为发送到N侧的M侧电流序列I′_M1与N侧采样电流序列I_N1加数据窗。数据窗的长度应为平均时延的2～3倍，过长会影响速动性，过短会影响可靠性。

例如，若要加40ms的数据窗，要计算0.43s对应的相关系数值，则要找出N侧采样时间在0.39～0.43s之间的采样点，并按照采样数据有先到后排列成一个长度为40ms的电流序列，即称作为电流序列I_N1加一个40ms的数据窗。

再找出电流序列I′_M1中报文中UTC时标代码表示的采样时间在 0.39～0.43s之间的采样点，按照报文中的采样时间与N侧数据窗内采样时间相同采样点对齐，构成一个电流序列，即称作为电流序列I′_M1加一个40ms的数据窗。但是由于M侧采样点到达N侧存在传输时延，还有一些采样点来不及到达 N侧，故电流序列I′_M1数据窗内有缺失的点，如图2所示。随着时间的增加，两侧的数据窗也相对静止地向后滑动。

步骤5，对电流序列I′_M1和I_N1数据窗内的采样点进行标幺化处理。为了降低计算复杂程度，提高准确度，将电流序列I′_M1和I_N1数据窗内的采样点的电流值除以正常运行时的电流峰值。

步骤6，对电流序列I′_M1数据窗内有缺失的点进行插值。即对数据窗内来不及到达N侧的M侧采样点电流值进行估计，并把估算出的电流值填充到采样点缺失处。

估算方法如下：首先通过I′_M1的数据窗内到达的点进行拟合，如图3a和图3b所示，电流波形为正弦函数，考虑到发生故障后，还会出现电流波形幅值增大，且故障电流存在衰减趋势，所以，拟合函数模型如下式：

I(t)＝Asin(2πft+θ₁)+Bsin(2πft+θ₂)·e^-Ct (5)

式中A——第一个正弦函数的峰值

f——电力系统频率

t——采样时间

θ₁——第一个正弦函数的初相角

B——第二个正弦函数的峰值

θ₂——第二个正弦函数的初相角

C——电流衰减程度参数

把已经在I′_M1数据窗内的采样点的采样时间和电流值代入式(5)，求出拟合函数表达式后，将缺失的点对应的采样时间代入，完成插值。

A、B、C的初始值取1；θ₁和θ₂的初始值取0；f为频率，等于50。

此步骤利用已经在I′_M1数据窗内的采样点波形走势预测缺点处的波形，选取到达数据窗的后4～7个采样点拟合即可，预测效果好且可以缩短计算时间。

步骤7，对两侧数据窗内的电流序列进行相关系数运算。M侧发送到N侧的采样电流序列插值后数据窗内的序列记作I_Mc；N侧的数据窗内采样电流序列记作I_Nc。相关系数运算方法如下：

I_Mc和I_Nc的长度都为n：

I_Mc＝{I_Mc1,I_Mc2,...,I_Mcn}；

I_Nc＝{I_Nc1,I_Nc2,...,I_Ncn}；

设序列I_Mc与I_Nc的相关系数为r，r的计算公式如下：

其中，

与

为分别为序列I_Mc和I_Nc的平均值。

步骤8，通过相关系数值判断配网运行状态。设定门槛值r_set为0.2～0.3，当相关系数值大于r_set时，判定为内部故障，保护启动。因为相关系数大于 0.3，即可判定两序列为实正相关，实正相关便意味着达到了内部故障的标准，保留一定裕度后，将此标准降低到0.2，故门槛值设定为0.2～0.3。

若相关系数值小于等于0.2，则认为是正常运行或发生外部故障，保护无需动作。

而且，若判定为内部故障，保护启动，消除故障后，重复执行步骤1至步骤8；若判定为正常运行或外部故障重复执行步骤2至步骤8，计算每一时刻对应的相关系数值。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于北斗卫星授时系统和相关系数的配电网差动保护算法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，开始采样，在配电网输电线路M至N端都配置卫星信号接收机，M侧的电流数据采样点通过5G无线传输通道发送到N侧，报文中包含M侧采样点电流与其发报时间一一对应的UTC时标代码；N侧接收到的M侧电流数据采样点构成电流序列I′_M1；N侧本侧的电流数据采样点构成电流序列I_N1；

步骤2，确定偶发大时延抖动范围；通过卫星同步法求出每一次配电网输电线路M侧至N侧的时延，得到时延序列t_di，i＝1,2,...,n，并得到平均时延t_d，n大于等于10000；

将传输时延大于等于3倍平均时延t_d的采样点定义为偶发大时延抖动采样点；

步骤3，计算平均时延；通过卫星同步法求出每一次配电网输电线路M侧至N侧的时延，刨除偶发大时延抖动采样点后，得到时延序列t'_di，i＝1,2,...,n，计算出平均时延t'_d，n大于等于10000；

步骤4，为发送到N侧的M侧电流序列I′_M1与N侧采样电流序列I_N1加数据窗；数据窗的长度应为平均时延的2～3倍；

步骤5，对电流序列I′_M1和I_N1数据窗内的采样点进行标幺化处理；具体是将电流序列I′_M1和I_N1数据窗内的采样点的电流值分别除以正常运行时M、N侧的电流峰值；

步骤6，对电流序列I′_M1数据窗内有缺失的点进行插值；即对数据窗内来不及到达N侧的M侧采样点电流值进行估计，并把估算出的电流值填充到采样点缺失处；

步骤7，对两侧数据窗内的电流序列进行相关系数运算；M侧发送到N侧的采样电流序列插值后数据窗内的序列记作I_Mc；N侧的数据窗内采样电流序列记作I_Nc；相关系数运算方法如下：

I_Mc和I_Nc的长度都为n：

I_Mc＝{I_Mc1,I_Mc2,...,I_Mcn}；

I_Nc＝{I_Nc1,I_Nc2,...,I_Ncn}；

设序列I_Mc与I_Nc的相关系数为r，r的计算公式如下：

其中，

与

分别为序列I_Mc和I_Nc的平均值；

步骤8，通过相关系数值判断配网运行状态；设定门槛值r_set为0.2～0.3，当相关系数值大于r_set时，判定为内部故障，保护启动；若相关系数值小于等于r_set时，则认为是正常运行或发生外部故障，并根据故障类型选择执行：

若判定为内部故障，保护启动，消除故障后，重复执行步骤1至步骤8；

若判定为正常运行或外部故障重复执行步骤2至步骤8，计算每一时刻对应的相关系数值。

2.根据权利要求1所述基于北斗卫星授时系统和相关系数的配电网差动保护算法，其特征在于：在步骤5中，对电流序列I′_M1数据窗内有缺失的点进行插值；即对数据窗内来不及到达N侧的M侧采样点电流值进行估计，并把估算出的电流值填充到采样点缺失处；

估算方法如下：首先通过I′_M1的数据窗内到达的采样点进行拟合，电流波形为正弦函数，发生故障后，会出现电流波形幅值增大，且故障电流存在衰减，拟合函数模型如下式：

I(t)＝Asin(2πft+θ₁)+Bsin(2πft+θ₂)·e^-Ct (2)

式中A为第一个正弦函数的峰值，f为电力系统频率；t为采样时间；θ₁为第一个正弦函数的初相角；B为第二个正弦函数的峰值；θ₂为第二个正弦函数的初相角；C为电流衰减程度参数；

把到达I′_M1的数据窗内的采样点的采样时间和电流值代入式(2)，求出拟合函数表达式后，将缺失的点对应的采样时间代入，完成插值；

此步骤利用已经在I′_M1数据窗内的采样点波形走势预测缺点处的波形，选取到达数据窗的后4～7个采样点拟合。

3.根据权利要求1所述基于北斗卫星授时系统和相关系数的配电网差动保护算法，其特征在于：在步骤8中，通过相关系数值判断配网运行状态；设定门槛值r_set为0.2，当相关系数值大于r_set时，判定为内部故障，保护启动。

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